Химическая технология. Кузнецов В.А. - 27 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ВГУ | Воронеж

Составители: 

Рубрика: 

27
метана (непревращенного и образовавшегося при
метанировании) в синтез - газе составляет около 1%.
Синтез аммиака
протекает в соответствии с реакцией
N
2
+ 3H
2
⇔ 2NH
3
+ 103,6 кДж (4)
Реакция обратимая , протекает с выделением тепла и уменьшением
объема. В соответствии с принципом Ле-Шателье, при понижении темпе-
ратуры и повышении давления равновесие смещается в сторону увеличе-
ния содержания аммиака. Азотоводородно-аммиачная смесь – не идеаль-
ный газ , и константа равновесия реакции К
р
сложным образом зависит от
температуры Т и давления Р . В справочной литературе приведены точные
формулы для расчета К
р
и данные по равновесию . Для приближенных рас -
четов в области температур 600-900 К и давлений 20-40 МПа можно ис -
пользовать аппроксимирующее уравнение
lnK
p
= -29,44 + 12770/T – 0,4lnP,
здесь К
р
определена для стехиометрического уравнения (4), размерности Т
[K], P [атм .].
Если исходная стехиометрическая смесь содержала 1 моль N
2
и 3 моль
Н
2
, то при равновесной степени превращения х
р
останется (1-х
р
) моль N
2
и
3(1-х
р
) моль Н
2
, образуется 2х
р
моль NH
3
, а общий объем уменьшится и
станет равным (4-2х
р
) моль. Объемные концентрации станут равными, со -
ответственно, (1-х
р
)/ (4-2х
р
) , 3(1-х
р
)/ (4-2х
р
) и 2х
р
/(4-2х
р
). Равновесие ре-
акции опишем уравнением
4
2
23
2
3
2
)1(
)2(
3
4
22
3
р
рр
равн
HN
NH
p
х
х
Р
х
PP
P
K
−
−
=
= ,
откуда можно найти равновесные степени превращения , приведенные в
табл .2.
Таблица 2 Равновесные степени превращения х
р
стехиометрической азото -
водородной смеси в аммиак
Температура, К х
р
при давлениях Р (МПа)
0,1 1 10 30 100
600 0,0810 0,140 0,61 0,78 0,89
700 0,0024 0,036 0,33 0,57 0,78
800 0,0008 0,012 0,15 0,36 0,63
900 0,0003 0,005 0,07 0,21 0,47
Реакция протекает на катализаторе – пористом железе с добавками
промотирующих и стабилизирующих элементов (Al, K, Ca и др.). Он акти -
вен и термически устойчив в области температур 650-830 К . Как видно из
табл .2 промышленно важная область давлений синтеза, при котором сте -
                                                27
метан а     (н епревращ ен н о го        и о браз о вавш его ся                         при
метан иро ван ии) в син тез -газ е со ставля ето ко ло 1%.
    Синтез аммиака про текаетв со о тветствии с реакцией

                  N2 + 3H2 ⇔ 2NH3 + 103,6 кД ж                                 (4)

     Реакц ия о братимая , про текает с выделен ием тепла и умен ьш ен ием
о бъема. В со о тветствии с прин ц ипо м Ле-Ш ателье, при по н иж ен ии темпе-
ратуры и по выш ен ии давлен ия равн о весие смещ ается в сто ро н у увеличе-
н ия со держ ан ия аммиака. А з о то во до ро дн о -аммиачн ая смесь – н е идеаль-
н ый газ , и ко н стан та равн о весия реакции К р сло ж н ым о браз о м з ависито т
температуры Т и давлен ия Р. В справо чн о й литературе приведен ы то чн ые
ф о рмулы для расчетаК р и дан н ые по равн о весию . Д ля приближ ен н ых рас-
чето в в о бласти температур 600-900 К и давлен ий 20-40 М П а мо ж н о ис-
по льз о вать аппро ксимирую щ ее уравн ен ие

                         lnKp = -29,44 + 12770/T – 0,4lnP,

з десь К р о пределен адля стех ио метрическо го уравн ен ия (4), раз мерн о сти Т
[K], P [атм.].
      Е сли исх о дн ая стех ио метрическая смесь со держ ала1 мо ль N2 и 3 мо ль
Н 2, то при равн о весн о й степен и превращ ен ия х р о стан ется (1-х р) мо ль N2 и
3(1-х р) мо ль Н 2, о браз уется 2х р мо ль NH3, а о бщ ий о бъем умен ьш ится и
стан етравн ым (4-2х р) мо ль. О бъемн ые ко н цен трации стан утравн ыми, со -
о тветствен н о , (1-х р)/ (4-2х р) , 3(1-х р)/ (4-2х р) и 2х р/(4-2х р). Равн о весие ре-
акции о пиш ем уравн ен ием

                              PNH  2
                                                   4 2 (2 − хр )  х2р
                        Kp =         3
                                       3 
                                                  =                        ,
                              PN 2 PH 2  ра вн 3
                                                     3
                                                           Р 2 (1 − хр ) 4
о ткуда мо ж н о н айти равн о весн ые степен и превращ ен ия , приведен н ые в
табл.2.
Т аблица2 Равн о весн ые степен и превращ ен ия х р стех ио метрическо й аз о то -
во до ро дн о й смеси в аммиак
Т емпература, К                      х р при давлен ия х Р (М П а)
                           0,1               1           10                     30    100
        600              0,0810            0,140         0,61                  0,78   0,89
        700              0,0024            0,036         0,33                  0,57   0,78
        800              0,0008            0,012         0,15                  0,36   0,63
        900              0,0003            0,005         0,07                  0,21   0,47


     Реакц ия про текаетн а катализ ато ре – по ристо м ж елез е с до бавками
про мо тирую щ их и стабилиз ирую щ их элемен то в (Al, K, Ca и др.). О н акти-
вен и термически усто йчив в о бласти температур 650-830 К . К ак видн о из
табл.2 про мыш лен н о важ н ая о бласть давлен ий син тез а, при ко то ро м сте-

Страницы